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世界科技全景百卷书: 计算机初露锋芒
我国清代的计算机 有意思的是，本世纪60年代初，在我国故宫博物院发现了2台手摇式机械计算机，70年代又发现了8台。这10台计算机现在都已修复完毕，它们分盘式和筹式两种类型。 故宫博物院藏有的6台盘式计算机，均属帕斯卡型，可能是康熙年间制造的。估计是来华传教的法国传教士亲自见过帕斯卡加法计算机，来我国后与我国数学家共同研制，仿照帕斯卡计算机原理制造而成。清代盘式计算机比帕斯卡计算机有很大改进。首先，它变加、减运算为四则运算，与莱布尼茨计算机有相同的功能。其次，把帕斯卡计算机由原来的6位和8位两种，扩展到10位和12位两种，运算数字的位数加大。 我国清代制作的盘式计算机十分考究。内部构造用黄铜制作，有的表面镀金或镀银，装在红漆木盒里。10位的有10个圆盘，12位的有12个圆盘。圆盘分为上下两层，上盘固定不动，下盘可以转动。上盘的中央都刻有数位名称，其排列顺序自左至右，分别是“拾万”、“万”、“千”、“百”、 “十”、“两”、“钱”、“分”、“厘”、“毫”。12个圆盘的则多“百万”和“千万”两个单位。通过下盘下面齿轮的转动而达到做加、减、乘、除运算的目的。 筹式计算机也都是黄铜制作的，外形呈长方体形，表面开有长方孔。孔下有圆柱形的滚筒，筒上面贴有用象牙制成的特殊算筹，利用齿轮转动进行运算。筹式计算机是我国独创的。 我国清代的计算机深藏在故宫里，成了真正的皇家专属品，其作用和命运可想而知了。 超越时代的计算器 这是一个真实的故事，是17世纪欧洲发生的一次航海事故。 在辽阔无际的大西洋上，一艘货船在与波涛汹涌的大海搏斗中，乘风破浪前进着。舵舱里，一位身体健壮的船长，正一丝不苟地用航海仪器不停地进行观测，并把观测得到的数据一一认真仔细地计算，从中找出货船安全行驶的航道来。不多一会儿，他向舵手命令道： “左三度！” “右五度！” 舵手复诵着命令，两手紧握舵轮，全神贯注地注视着前方。 一切是那样的正常。 突然，“轰隆”一声巨响，如同头顶一声闷雷，意料不到的事情发生了：货船触上了暗礁。虽然全船人员无一伤亡，可是货船却沉入了大海。 事故发生后，当局来追查原委。专家们严格地审查了船长的航海日志和观测手稿，发现船长把航道计算错了，货船偏离了安全行驶的航道。船长不得其解，只得承认自己计算失误。可再仔细审查下去，发现责任不在船长，而是船长用的那本《对数表》。由于编写人员马虎，使错误的计算数字印刷到《对数表》上了！ 你知道《对数表》是什么吗？它是人们计算时使用的一种常用数据手册，里面印着许多数的平方根、立方根的值，另外还有常用的函数值。如果计算时需要用什么数，一查表，答案就出来了，不必再去笔算而浪费时间。《对数表》上印着的密密麻麻的成千上万的数据，倘若有的数据错了，而人们又引用了这个错误的数据，整个计算的结果就会全盘皆错。 航海事故出现的年代正是广泛使用算表的时代。这些算表是由专门的机构集中众多计算人员，花费成年累月的时间编算而成的。然而，由于计算人员从早到晚埋头计算，枯燥的数字、单调的运算常弄得他们头昏脑胀，不仅工作效率低，而且很容易出现差错。例如，根据大地测量的数据绘制地图时，需要解决含有大量的未知数的代数与方程组。解含有800个方程组的问题，大约需要做25000万次算术运算，这靠一些简单的计算工具是很难实现的。 航海事故的出现，使科学家们为之一惊。他们意识到：尽快改进数值计算，缩短计算时间，提高计算准确性，是需要急切解决的一个问题。 17世纪，产业革命使人们开始把希望寄托于初步繁荣的机器制造业上，能不能用机器来进行计算呢？人们盼望着有一种新的计算机，能将计算过程中所得的数，自动存储下来，并能随时取出应用，自行做完一连串复杂的计算。所谓的“自动计算机”就是在人类好多世代的期望和追求下应运而生的。这种自动计算机正是电子计算机的前身。 机械式计算机 1623年6月19日，位于法国中部的克勒蒙菲朗的一个贵族家庭中，伴随着“哇”的一声啼哭，一个小精灵降临人世。自生下了小帕斯卡，家里增添了无限生机和欢乐。帕其卡生下时十分瘦弱，为使他长大成才，父母操尽了心。 帕斯卡的父亲是位并不著名的数学家，但却是一位较有名望的税务统计师。他酷爱数学，深深地体会到数学是一门探索性很强的学科。他担心孩子学数学会劳神伤身，出于对儿子溺爱，他决心不让帕斯卡涉足数学。当然，父亲的顾虑是多余的。 小帕斯卡天赋很高，他虽体弱多病，但从清秀的眉宇间却透露出一股灵气。他勤奋好学，兴趣广泛，平时很少外出玩耍，整天如饥似渴地看书学习，做札记。他七八岁就学完了差不多相当于小学的全部课程。他充满幻想，富有才气，尽管父亲把自己的全部数学书籍都收藏起来，只让他看语文书和儿童诗歌，连学校开设的数学课也不让他上，可是，这一切还是不能阻碍帕斯卡对数学产生浓厚的兴趣。而且父亲越是不让他学习数学，他心里萌发的探索数学奥秘的愿望越是强烈。那年，他12岁，常听到父亲与朋友们谈论“几何”，他听不懂，不知“几何”为何物，就去问老师。老师告诉他：“几何就是作出正确无误的图形，并找出它们之间的比例关系的一门科学。”他深信几何是一门十分有趣的学科，便偷偷地借来几本几何书，边读边用鹅毛笔在纸上画几何图形，兴味无穷。 1635年，帕斯卡随父亲迁居巴黎。初秋的巴黎郊外，气候宜人，景色美丽。一天，帕斯卡和父亲到郊外游玩，回到家里，准备稍作休息后一起共进晚餐。这时，帕斯卡好像自言自语，又好像是告诉父亲一件重大事情似地说： “三角形三个内角的总和是两个直角。”父亲为儿子的这一见解惊呆了，楞了半人说不出话来。儿子的见解意味着一个不平常的发现。这个发现来自一个年仅12岁的少年，做父亲的内心不知有多么激动。他抚摸着帕斯卡的头，过了好半天才喃喃地说：“是的，孩子，是的。” 帕斯卡的重大发现改变了父亲的做法。父亲挑选了欧几里得的《几何原本》给儿子学习，也不再阻拦他上数学课，平时还常为他解答疑难问题，并带帕斯卡参观各种科技展览，参加数学、物理的学术讨论会，鼓励他大胆地发表自己的见解。帕斯卡接触到了不少当时著名的数学家、物理学家、机械师……他领略到了数学的奥秘，眼界大开，学识上大有长进。 1639年，刚满16岁的帕斯卡对圆锥曲线等问题进行了大量的研究，掌握了圆锥曲线的共性，写出了震惊世界的论文。1640年《圆锥曲线论》一书出版，人们把他的这一伟大贡献誉为“阿波罗尼斯之后的二千年的巨大进步。”从此，帕斯卡英名传遍欧洲。 帕斯卡的父亲，作为一名数学家和税务统计师，每天要解答各方面提出的疑难问题，在一旁的帕斯卡看到父亲整天苦于统计大量的数据，便产生了强烈的愿望，要造一个理想的计算工具，来解脱父亲的辛劳。 以前的计算工具和计算方法如笔算、算表、算图等速度慢，精度低，远远不能满足当时统计工作的需要。1642年，19岁的帕斯卡决心研制一种新的计算工具。帕斯卡有他的特点，一旦他对某件事发生兴趣，就会不顾一切地想方设法去完成。 帕斯卡研究了机器运转的各种传动机构，又走访听取了一些著名工匠的意见，对自己设计的计算机图纸反复推敲，不断试验，不断改进，最后定样。他根据数的进位制 （十进位制）想到了采用齿轮来表示各个数位上的数字，通过齿轮的比来解决进位问题。低位的齿轮每转动10圈，高位上的齿轮只转动1圈。这样采用一组水平齿轮和一组垂直齿轮相互啮合转动，解决计算和自动进位，组成了一台计算机。 帕斯卡于1642年设计出了计算机的图纸，连外壳和齿轮用什么样的金属材料都作了认真的选择，同年造出了一台计算机。这是世界上第一台齿轮式计算机。 帕斯卡的这台计算机可以计算到8位数字，表示数字的齿轮共16个，每个齿轮均分成10个齿，每个齿表示0～9中的一个数，并按大小排列。8个齿轮在上面组成垂直齿轮组，从左到右构成8位读数，分别表示个位数、十位数、百位数……千万位数；另外8个齿轮在下面组成水平齿轮组，从左到右可以进行8位数的加减。 帕斯卡发明的钟表式齿轮计算机，是机械式计算机的初级阶段。它的外壳用黄铜制成，精致美观。但这台计算机的功能还很差，做乘法时必须用连加的方法；做除法时，也只能用连减的方法，而且这台机器需用一个小钥匙拨动一下方能计算，每次计算结束，都必须复原到零位以后，方可重新计算，很不方便。在计算过程中它又常发生故障。但是帕斯卡计算机的发明对以后计算机的发展具有深远的影响。帕斯卡一下子成了著名人物。 6年后，帕斯卡对自己发明的计算机提出了专利申请，1649年获得专利权。当他的计算机在卢森堡宫展出时，成千上万的人被吸引住了。帕斯卡自己也为这一伟大杰作而陶醉，他时常到卢森堡宫去看这件不朽的“艺术品”，深感自豪。帕斯卡计算机的发明是人类在计算工具上的新突破。它发明的意义远远超出了这台计算机本身的使用价值，它告诉人们用纯机械装置可代替人的思维和记忆。从此在欧洲兴起了“大家来造思维工具”的热潮。至今还有很多游人和学者慕名前往卢森堡宫参观这一历史上的珍品——世界上第一台齿轮式计算机。 目前，帕斯卡发明制造的齿轮式计算机还保留有6台。其中5台在巴黎艺术和手工艺品博物馆内，一台保存在德累斯顿的物理教学沙龙。这些计算机长约30～侧厘米，宽15厘米，高10厘米，是科学史上难得的珍品。 帕斯卡一直被公认为世界上第一台齿轮式计算机的发明者，他也为自己的这一成就而感到无比自豪。但在帕斯卡发明之前，德国的数学家卡什尔已设计制造出6位数的齿轮式计算机。卡什尔是著名的东方语言学家，数学家。他对天文学也有颇深的研究。他常困于大量的数据计算，被繁杂的计算搅得精疲力尽。现实中的问题促使他创造一种新的得力的计算工具，来减轻计算上的沉重负担。1623年，他开始着手构思设计，同年造出了样机，以后又进行了一些改进。这台计算机的原理与帕斯卡的有相同之处，使用过程中也极易发生故障。从历史上来看，人们对卡什尔发明计算机了解很少，它的社会影响极小，直到1958年，人们才在有关历史资料中得知他发明齿轮式计算机的情况。因此，在谈到第一个齿轮式计算机发明时，不能不提及卡什尔。实际上，卡什尔才是齿轮式计算机的第一个发明者。 帕斯卡发明的第一台计算机触动了一位著名的学者，他就是在近代科学史上举足轻重的莱布厄兹。 莱布尼兹（1646～1716），德国人，博学多才。他和科学大师牛顿是同时代人。 1672年，他因外交事务到法国和英国居住了4年。在这4年中，他一生的事业发生了转折。这期间，他结识了许多科学家。其中与惠更斯（1629～1695，摆钟的发明人）的交往，激发起他对数学研究的浓厚兴趣。虽说莱布尼兹是“半路出家”，但他凭着刻苦钻研的精神，竟然后来居上，对数学及计算科学作出了3项重大贡献，跻身于数学大师行列，其中任何一项贡献都足以使他名垂后世。 莱布尼兹一生对科学最大的贡献就是发明了微积分，牛顿也是发明者之一。但他们研究的路径不同。牛顿从物体的变速运动开始，创立了微积分学。而莱布尼兹则从几何学的角度考虑，也创立了微积分学，他所采用的表达形式更为合理，更为简洁。有兴趣的读者可以翻翻高等数学或理论物理学等书，在书里你会看到一个被拉长了的字母“S”——“∫”，这是积分的符号，它就是莱布尼兹在200多年前最先使用的，并且一直沿用至今。 莱布尼兹对科学技术的第二大贡献是发明了机械式计算机。莱布尼兹对帕斯卡的发明异常钦佩。为改进当时的齿轮式计算机，他特地从德国迁居到法国巴黎，亲眼看一看帕斯卡的计算机，并聘请了著名的机械专家协助工作。帕斯卡不是已经制造成功了计算机吗？为什么他还投入如此巨大的精力呢？原来帕斯卡的计算机只能用于加减运算，对乘除只能用连加和连减的方法来解决，使用时必须记住加减的次数，很不方便，速度又很慢。这样，这台计算机所能起的作用就很有限了。莱布尼兹深感有必要研制一种真正实用的计算机，减轻人们在计算上的沉重负担。他曾说过：“让一些杰出的人才像奴隶般地把时间浪费在计算上是不值得的。”莱布尼兹的突出成就是他提出了直接计算乘除的计算机的设计思想。他在给一位朋友的信中曾这样写到：“我为制成这种计算机而感到无比幸福，它与帕斯卡的计算机相比有天壤之别，因为我的机器能在瞬时间里完成很大数字的乘除而不必连续加减。” 莱布厄兹设计的计算机从外形上看是一个长100厘米，宽30厘米，高25厘米的盒子，非常精致。它的外面装有摇柄，里面则主要由不动的计数器和可动的定位机构两部分组成。通过盒子上开的12个小“窗口”，可以看到计数器的读数。计数器的每一位数字都由带有10个齿的齿轮构成。计算机的关键部件是一种所谓的梯形轴，这种梯形轴是齿数可变的齿轮的前身，有了它就可以顺利实现比较简便的乘除运算，导致滑架移位机构的产生，简化了多位数的乘除运算。莱布尼兹所作的这两项发明，长期为各式计算机采用。 莱布尼兹计算机是第一台有较高实用价值的机械式计算机。各行各业要进行各种计算，都离不开令人厌烦的乘除法。有了莱布尼兹的计算机，就可以大大减轻劳动强度。这项发明得到了巴黎科学院院士与伦敦皇家学会的认可和奖励。1673年莱布尼兹被选为巴黎科学院院士和伦敦皇家学会会员。这一年他制成的第一台机械式计算机还被当作稀世珍宝送到伦敦展出。他兴奋地说：“今后天文学家们再也不必继续去训练为了计算所需要的耐心了……只要用上计算机，这些计算工作可以交给任何一个人去做。” 莱布尼兹的计算机经过托巴斯等人的改进更趋完善。在电动机问世之后，还可以用电动机带动它，加快运算速度，更加省时省力。机械式计算机为人类服务了近300年，直到价廉物美的袖珍电子计算器风行市场，才完成了它的历史使命。 莱布尼兹不仅是计算机的早期设计者、发明家之一，在数理逻辑的研究方面他也是一位先驱者，他在哲学史上占有显赫的地位。他还是一位法学家、历史学家、语言学家、地质学家、物理学家。他为中西科技文化的交流也做出过重大贡献。 布尔代数 在众多为计算机事业做出杰出贡献的科学家中，有位科学家终身没有接触过计算机，但他的研究成果却为现代计算机设计提供了重要的理论根据。他就是英国数学家布尔。他所创立的布尔代数或称逻辑代数理论现在是，以后也仍将是计算机专业的必修课程。 布尔 （1815～1864）出身于一个手工业者的家庭，家境不十分宽裕。他原是一位中学教师，后来通过刻苦钻研，自学成才当上了大学教授。他对研究人类思维规律的逻辑学有着浓厚的兴趣。逻辑学当时在西方很受器重。古希腊著名哲学家和思想家亚里士多德在两千多年前就对逻辑学有过深刻研究，发展了演绎法，为形式逻辑奠定了基础。但是两千多年来，逻辑学在理论上的进展却很缓慢。著名数学家莱布尼兹在逻辑学上也做出过贡献，他提出了形式逻辑中重要的“充足理由律”。他还试图建立一种普遍方法，把一切正确的逻辑推理归结为数学演算，可惜没有最后获得成功。 1854年，布尔发表了著作《思维规律研究》，成功地将形式逻辑归结为一种代数运算，这就是布尔代数。布尔代数产生于19世纪中叶，当时被认为 “既无明显的实际背景，也不可能考虑到它的实际应用”，可是一个世纪后它却在计算机的理论和实践领域放射出耀眼的光彩。布尔代数在后来的机电计算机及电子式计算机的各类逻辑部件和程序的设计中都是不可缺少的数学工具。 布尔代数与普通的代数不一样，布尔代数中的量只有两个值：1和0。“1”表示命题为真，“0”表示命题为假。这个结果很自然地与“接通”和“断开”两种状态联系起来，因此，布尔代数特别适合于电路系统的分析与综合。1910年荷兰学者埃伦菲斯特利用布尔代数建立了分析与设计继电器和电子电路的系统方法。这是后来机电式计算机和电子计算机研制成功必不可少的先决条件。 机电计量机的发明 我们今天早已步入电的世界，电灯、电话、电视……在人们日常生活中已经司空见惯了。我们每天都要和电打交道。没有电就没有现代文明，也就谈不上今天的电子计算机。 正像蒸汽机发明以后，出现了第一次工业革命那样，各种电机 （发电机和电动机）的发明以及电力的广泛应用，标志着第二次工业革命的出现。这也使人们的视野比过去开阔多了。对于研究计算机的人来说，很自然的一件事就是：不能把目光仅仅停留在老式的机械式计算机上，应该考虑可否利用电器来改进原有的机械式计算机的装置。 1822年，法国的盖·吕萨克和阿拉戈利用电流的磁效应，把通电导线绕在软铁上，使一块普通的软铁变成了磁铁。几年后，美国的亨利在此基础上发明了磁性强大的电磁铁，利用电磁铁的原理，人们制成了继电器。继电器是在机电式计算机上第一个派上用场的电器部件。 同学们中一定有人玩过遥控玩具，或者使用过遥控电视机的遥控装置吧！大多数遥控装置都离不开继电器。继电器是一种开关，不过它的开启与闭合不是靠人手去拨弄，而是靠微弱的电流。这种弱电流通过一个电磁铁的线圈，使电磁铁磁化并将一个衔铁吸下。衔铁连着一个开关，就可使得另一个大电流接通或断开。 有了继电器，一个微弱的电流就可以控制一个大电流的开断。而微弱电流本身的开断不一定需要我们用手去拨动，它可以通过其他各种手段达到。比如无线电信号、导电的水、能导电的人体等，因此，继电器在各种控制电路中有着广泛的应用。 计算机的研制者们欣喜地发现，继电器的应用还有潜力可挖，它可以用来计数。它有开和关两种状态，就可以用来表示二进制中“0”和“1”两个数。用多个继电器就可以记录多位的二进制数。正是因为继电器具备这样的特性，所以，后来在机电式计算机中发挥了关键作用。 随着电与人类关系的逐步密切，许多人开始考虑将电学成果应用于计算技术。其中首先取得实质性进展的是霍利瑞斯制表机。提到它的设计人霍利瑞斯，人们或许会感到意外，因为他既不是工程师，也不是科学家，而是一名普普通通的统计人员。 霍利瑞斯是德国移民的后裔，毕业于哥伦比亚大学附属专科学校，他曾在美国人口调查局工作过，对统计工作的特点和艰巨性非常了解。 当时的美国每隔几年就要作一次人口调查，调查的项目十分详细，光是按年龄的划分就有10类：5岁以下、6～10岁、11～20岁、21～30岁、……直到80岁以上年龄段。大家知道，美国人口主要是由移民组成的。18世纪末、19世纪初，美国的人口还不多，广大的西部还都是人烟稀少的森林、草原和沼泽地，这个时期作人口统计当然没有太大的困难。随着人口的迅速繁衍和大规模移民潮的涌入，美国人口剧增，这就使得人口调查和统计工作的难度一次次增加。 大量的人口资料堆积如山，使统计工作者望而生畏，以致1880年的人口调查统计任务一直拖到1887年也没有结果。霍利瑞斯制表机就是在这种背景下应运而生的。 一天，霍利瑞斯和一位在人口调查局工作的官员比灵斯聊天，几句话就扯到了令人厌烦而又无法回避的人口调查问题上。比灵斯叹了一阵苦经之后，忽然提到一个他已考虑了多日的设想，那就是使用穿孔卡片帮助统计。让每个接受调查的人都使用相同规格的硬纸卡片，按照不同的个人情况在不同的位置上穿孔，然后使用一种特殊的机器把这些信息读出并加以统计，至于机器如何设计他就不得而知了。 比灵斯的设想给霍利瑞斯以极大的启发，激起了霍利瑞斯的创造灵感，使他仿佛看到了解决问题的曙光。他过去听说过提花编织机上穿孔卡的故事，那件事发生在1728年，一位法国工程师发明了一种自动提花织布机，其中设计了一连串长长的穿了孔的卡片，让卡片转动，使得那些与卡片上的洞眼正好对着的织针顺利通过，而不相对的织针通不过。这样，纱线就织出了规定好的花纹。当时已是19世纪末，时代不同了，要求也不一样。霍利瑞斯懂得，仅用机械的方法显然会黔驴技穷，只有配上最新的电工技术才会使问题得到解决。 那时候、电工技术在美同是一样很时髦的于艺，霍利瑞斯虽然没有专门学过电学，但对电工技术还是很内行的，因为他常在业余时间摆弄各种电器。在同事、家人、邻居的心目中，他可是个能干而热心的人。最后，他将弱电流技术和过去的穿扎卡片技术融为一体，设计制造了可用于人口调查的制表机。 霍利瑞斯制表机主要由5个部分构成：1.接受压力机；2.继电器；3.计数器；4.分类盒；5.电池。制表机上阅读穿孔卡片的设计别具匠心，现在我们就以一个孔的位置为例介绍一下。先将卡片平放在相应位置上，孔的位置上方是一根带弹簧的金属棒，下方是一个水银杯。工作时，金属棒被轻轻地压下来，如果该位置上没有孔，金属棒被卡片纸挡住不下来，不能出现后续动作。反之，由于该位置事先已穿好了孔，金属棒就“长驱直入”地插入下方水银杯中。 水银和金属棒都是导体，它们接触以后，就好比接通了开关，形成了回路，产生电流。又由于所加的电压低，形成的电流很弱，不会产生损坏制表机的电火花，也不会对人体造成伤害。另一方面，电流虽弱，但可以使继电器吸合，产生大电流。大电流使相应的计数器加 1，这样就完成了此项目的一个人的统计。这种设计实在太巧妙了！金属棒有很多根，它的数目由统计项目和分类的多少来决定。 其实在今天，我们仍然有不少表格需要填写，像中学生升学填表，大学生毕业填表，甚至有时在考试中也有用填表作为答案的。不过，今天不用再穿孔，而只要你在相应位置上用笔涂黑就行。读表的装置也比那时高明得多了，用的是光电阅读器，它可算是穿孔卡片方法的“直系后裔”了。 美国的人口统计机关当时曾征集过能加快统计速度的发明，除霍利瑞斯以外，还有两名应征者。他们采用了颜色卡片，但分类和计算仍依靠手工，与霍利瑞斯的发明相比真是相形见拙，霍利瑞斯成了竞争中的唯一胜利者。 有了制表机的武装，人口调查的难题自然迎刃而解。1890年，共作了6300万人的调查登记，资料汇总到首都华盛顿以后，一个月就完成了统计制表工作。而1880年，仅作了5000万人的调查登记，统计制表工作化了7年半的时间，还多化了几百万美元。 人们对制表机的成功，大加赞赏，许多大企业的会计业务、产品统计，都竞相仿效，后来还风行于世界各地，奥地利、加拿大、挪威、俄国等都改用制表机进行人口调查。霍利瑞斯制表机，尤其是它的读写卡片装置的巧妙设计，对以后的机电式计算机和电子计算机的研制都有极大的影响。 霍利瑞斯研制成功制表机以后，穿孔式计数技术得到了发展；继电器得到了更广泛的应用。人们还发现，19世纪的英国数学家布尔创立的一套被称为“布尔代数”的数学理论，特别适合用于逻辑电路的设计，因此，逻辑电路设计也取得了很大的成绩。就这样，在本世纪三四十年代，一批与当年巴贝奇方案相似的新型计算机——机电式计算机方案出现了。 中国有句成语，叫做“英雄所见略同”。在德国和美国，几乎同时有人在研制机电式计算机，原理、结构、性能都十分相似。德国的朱斯从 1934年开始，投身于机电式计算机的研制，当时他24岁，正在学习土木工程。但是，他的主要精力没有放在土木工程这门“主课”上，反而对计算机研制工作于得津津有味，难免有人认为他“不务正业”，他的“爱好”受到别人奚落。他读过巴贝奇的传记，虽然巴贝奇的结局是悲剧性的，不过他觉得巴贝奇很有道理。如果巴贝奇活到现在，就有成功的可能。有人不理解他，觉得他为古人担忧有些好笑，可是朱斯却认真得很，决心依靠自己个人的财力开展研究。 由于资金短缺，有时候动手拆除家中一些器具充当计算机部件。他试制的第一台计算机Z—1是纯机械结构的计算机，费用不算太大，花了九牛二虎之力，总算在1938年完成。接下去他要大干一番，打算采用继电器技术制造计算机Z—2，其实，这就是一台机电式计算机。 刚动手干不久，战争贩子希特勒就开始了进攻波兰的闪电战，第二次世界大战爆发了。纳粹德国开始大征兵，年轻的朱斯“榜上有名”，计算机Z—2的研制完全“泡汤”了。事有凑巧，一个偶然出现的机会挽救了他。 1939年，他的朋友，也是后来的合作者许莱尔向纳粹政府提交了一个备忘录，竭力鼓吹朱斯关于新式计算机研制工作的重大意义。由于计算机将来在军事上会很有用，敏感的当局不仅豁免了朱斯的军役，而且还慷慨地拨出了专款支持朱斯的研究，这偶然的巧事，使得朱斯“因祸得福” 经过两年的艰苦努力，他终于在1941年研制成功全继电器的，机电式的通用自动计算机Z—3。这台计算机可以说是当时世界上最先进的新型计算机了。它能够执行8种指令，字长22位二进制，计算加法为0.3秒、乘法为4～5秒。整机用了2600个继电器，这是世界上第一台通用程序控制计算机。1945年初，朱斯对Z—3计算机作了改进，制成了可靠性很高的机电式计算机Z—4。 就在这一年，前苏联的红军和西方盟国的部队已经攻到了德国本土，逼近了柏林，希特勒点燃起的战火烧到了他自己家门口，全世界爱好和平的人民都为之振奋。燃烧的战火对于发明家朱斯，真是太不幸了，他的实验室，他的Z—3计算机都遭到了盟军的轰炸，在霹雳声中灰飞烟灭。唯一值得庆幸的是，Z—4计算机被藏在一座农舍的地窖里，才免遭此劫。 德国战败以后，朱斯流亡到中立国瑞士的一个偏僻的乡村，即使在那里他也无心欣赏美丽的田园风光，计算机研究仍然是他的第二生命。虽然没有了实验室，没有了计算机，可是还有大脑，他还能研究计算机软件，他在那里提出了“程序演算”理论，即今天所说的计算机程序设计。这对软件的发展影响很大。 可惜的是，朱斯在第二次世界大战期间完成的发明很少被德国以外的人所了解，仅有一台幸存的Z—4计算机成了他的伟业的见证。这台计算机的牢固性和可靠性令人赞叹，1950年到1954年用于瑞士技术学院，1955年到1958年用于法国国防部，直到1959年才被送进历史博物馆。 与朱斯同时，美国的艾肯（1900～1973）也在研制机电式计算机。艾肯1900年生于新泽西州的霍博肯，青少年时代学习勤奋刻苦，1923年他以优异成绩毕业于威斯康星大学，1939年在哈佛大学获得博士学位。 在攻读博士学位期间，经常遇到大量的冗长乏味的计算。他设想造一台计算机，帮助解那些比较复杂的代数方程。1937年，艾肯正式提出一份题为 《自动计算机建议》的备忘录，在原理、结构、性能方面，与巴贝奇、朱斯的设计不谋而合。当时美德两国正处于敌对状态，所以艾肯与朱斯互不了解对方的工作。艾肯读过巴贝奇的自传，并为巴贝奇的创造精神鼓舞，但他没有读过艾达·拜伦对于巴贝奇分析机的说明，因此在机电式计算机的设计中，他表现了高度的独创精神。 事有凑巧，当时国际商业机器公司（即著名的IBM公司）总经理汤姆斯·沃森财大气粗，并且很有远见，看到艾肯的“建议”以后，决定给予支持。从1939年开始，艾肯得到了IBM公司的资助，哈佛大学也趁机成立了计算研究所。看来艾肯的境遇比他同时代的朱斯好多了。艾肯工作起来极其认真。他往往是天蒙蒙亮到研究所，晚上八九点钟才离开。他讲起话来，发音极为清晰，表达思想十分精确。艾肯认为造出新型计算机对科学和社会是一种奉献，这种理想一直鼓舞着他奋不顾身地工作。 经过4年的艰苦努力，艾肯和他的同事们共同制成了这台机电式计算机。起先他们将它叫做自动程序控制计算机，后来大家给它起了个绰号，叫做“马克—1”。它是个庞然大物，约有15.5米长、2.5米高，几乎塞满了计算机研究所的一间大屋子。它用了3000多个继电器，运行时声音很响，人们很难在它身旁说话。1944年8月，马克—1计算机正式完成，接着交给了订户哈佛大学，一直使用了15年之久。由于它诞生在远离战场的美国，所以其影响要比朱斯的Z—3计算机大得多。 马克—1计算机主要用于科学计算。1945～1947年间，艾肯又负责研制成功了经过改进的马克—2计算机。在计算机的发展史上，这两台机电式计算机有着重要的地位。1956年，艾肯还负责制成过马克—4计算机，那是一台在美国空军支持下研制成功的电子计算机。 艾肯是个意志非常坚强最会珍惜时间的人，他每天总要晚上八九点钟才离开研究所，有时第二天凌晨4点就又回所了。1973年3月14日，艾肯在美国的圣路易斯病逝。 机电式计算机是计算机发展史上短暂的一页。它是计算机发展道路上的一次必要的科学尝试。由于它工作中仍有机械动作，因此它的运算速度很难有更大的提高。但是，它为早期的电子计算机设计制造积累了宝贵的经验，对于现代高速电子计算机的发展起了开路作用。只有电子计算机，才真正是人类智力解放的有力工具。要介绍电子计算机的发明过程，必须对电子技术的发展有所了解，让我们暂时把时间的指针拨回到19世纪末去吧！ 第一个设计方案 阿塔纳索夫是美籍保加利亚学者，原是衣阿华州立学院数学物理教授，在求解各种数学物理方程时，繁复的计算使他深感头痛，他感到有必要发明更新的计算工具。当时流行着机械式或电动式计算机，以及最新的模拟运算工具——微分仪等，阿塔纳索夫对它们都作过深入的研究，逐步认识到要提高计算机的速度，关键是要有高速的运算部件。这正像建造一座巍峨雄伟、富丽堂皇的宫殿，要用上等的砖瓦一样，土坯、小石块是绝对不行的。只有用电子管做成的电子触发器等新一代器件，才能造出高速计算机。他是第一个看清解决这个问题出路的人。可是要提出一个新式计算机的制造方案，不是一件容易的事。多少个日日夜夜他苦思冥想着，眼睛都熬红了，也未能理出个头绪来。但他凭着锲而不舍的精神，终使金石为之而开。 1937年冬季的一天，阿塔纳索夫正驾车前往伊利诺斯州。一路上各种各样的问题在他的头脑中索绕着，一会儿是冗长的数学物理公式，一会儿是杂乱的电子线路。向后飞逝而去的树木似乎都变成了一排排排列整齐的电子管。“该休息一会儿了”，他提醒自己，他的大脑太紧张了。正巧，前方不远处是一个小酒吧，他停下车来走了进去。 品味着清醇的啤酒，他感到浑身轻松，一大堆偏微分方程的数值解问题，差分方程的繁琐计算，把他弄得太累了，此时此刻，都让它们见鬼去吧！他一连喝了几杯啤酒，感到舒坦极了。也不知是醉、是累，他微微地闭上了双眼。 突然，“灵感”来了，眼前一台巨大的计算机幻影似的在朦胧中时隐时现。这计算机没有齿轮，也没有继电器，有的是亮着暗红色光的电子管。电子管整齐地分布在计算机中，一根根导线将它们连接成一个整体。啊！关键的电路明明白白地展现在他的眼前。他分辨不清自己是醉还是醒，是梦幻还是在现实之中，眼前的景物一会儿似天上的游云，飘忽不定，一会儿又似一幅实实在在的画面，真切万分。他定了定神，竭力回忆刚才脑海中闪过的电路。对，这正是他苦苦思索多日想要找到的关键性电路。他及时地捕捉住这一闪而过的灵感。有了这些电路，朝思暮想的电子计算机的构思就瓜熟蒂落了。 就像古代的阿基米德在洗澡时发现了浮力一样，他抑制不住内心深处的激动，一下子推开面前的杯盘，从椅子上跳了起来，结清了帐，立即去找他的助手贝利，向他叙述了在计算机电中引进电子技术的设想。“好极了。”贝利完全赞同他的意见，他们很快就向学院申报了设计制造方案。 他们提出的方案，在当时可以说是一个惊天动地之举。这种用电子技术装备起来的计算机造成以后，可以求解含有30个未知数的一次联立方程组，功能是强大的。 他们将计划中制造的计算机命名为Atanasoff—Berry—Computer，意思是“阿塔纳索夫—贝利计算机”，简称ABC计算机。经过两年的努力，终于制成了计算机里的一个关键部件——控制器。为此，当地的《德孟内斯论坛报》在1941年1月15日，还刊登了一幅贝利手持控制器一部分的新闻照片，预告整个计算机内有300多个电子管，将于该年底完成。可是天不从人愿，就在这时，太平洋战争打响了，日本成功地偷袭了珍珠港，他们的研制工作也因此告吹。阿塔纳索夫本人离开了衣阿华学院，穿上军装，转入军队提供技术服务。 阿塔纳索夫提出的将电子技术用于计算机的第一个方案，限于当时的历史条件，并未真正造出来，但世人没有忘记他的功劳。由于电子计算机是一项举世公认的伟大发明，后来为它的发明权引起了争议，甚至曾对簿公堂。令人欣慰的是，1973年，美国联邦州立法院裁决，认定阿塔纳索夫教授是第一个电子计算机方案的提出者。ABC计算机的逻辑结构和电子电路设计，为以后的电子计算机的研制起过很大作用。 第一台电子计算机 随着科学技术的发展，各个科技领域所需的计算工作越来越多，计算量也越来越大。科学家和技术人员面对繁杂的运算都深深地感到力不从心，渴望着有高速的计算机来解决计算问题。这一需求随着时间的推移显得越来越迫切。不少数学家、物理学家、天文学家以及统计工作者，怀着解决各自领域中令人头痛的计算问题的决心，纷纷改行转到研制高速计算机行列中来。他们孜孜不倦地思索着，苦苦地探求各种各样的计算机制造方案，为人类的智力解放而费尽苦心。 具有独创精神的阿塔纳索夫方案，尽管由于经费缺乏、战争等客观原因未能最终变为现实，但是这个方案的新颖设计、巧妙构想，却很能打动人心，给后继者以极大的启发。真正把第一台电子计算机制造出来的。是莫克利 （1907～1980）及其合作者。 J·W·莫克利在1907年8月30日生于美国俄亥俄州的辛辛那提，1925年考入著名的霍普金斯大学，1932年获得物理学博士学位。 物理学是一门艰深的、应用数学知识最多的学科，和阿塔纳索夫一样，莫克利常为物理学研究中屡屡出现的大量枯燥、繁琐的计算问题而头痛。1941年1月的一个晚上，和往日一样，他坐在柔软的沙发上，手里捧一杯浓浓的咖啡，边饮边看着报纸。紧张了一天的大脑该让它松弛松弛了。 “什么？”突然，他在德孟内斯论坛报上看到了一张照片。这张醒目照片使他的大脑立刻兴奋起来，那是衣阿华州立学院的阿塔纳索夫教授正在试制电子计算机。他被照片吸引住了，几年来对电子计算机他真是梦寐以求啊！阿塔纳索夫与他真是不谋而合。 一幕幕的往事又在他的面前浮现：30年代他曾制成一台模拟计算工具——谐波分析机和一台不大的专用计算机；近年来他认定将电子管用于计算装置内部是提高计算机计算速度的必由之路，要制成一台电子计算机，其中有些关键问题尚无法解决。如今有人领先一步，准备将其付诸实践了，莫克利对此深感鼓舞。他立即启程前往衣阿华州登门拜访阿塔纳索夫。 阿塔纳索夫看到别人对他的研究感兴趣，心中十分高兴，热情地接待了这位文质彬彬的志同道合者，毫无保留地向这位不速之客作了情况介绍，详细叙述了如何把最新电子技术应用到计算机中，大幅度提高计算机运算速度的具体设想。莫克利是个内行，对此听得津津有味，神情专注，唯恐漏了一个字。阿塔纳索夫把一本有关电子计算机设计的珍贵笔记本，郑重地递给了这位年轻人。 笔记本上凝结着阿塔纳索夫几年的心血，这是多么无私的举动呵！莫克利“受宠若惊”地接过笔记本，就像接过阿塔纳索夫手中的接力棒一样。他感激万分，觉得这次来，收获很大，确实不虚此行。 从1933年到1941年，莫克利在厄西纳斯大学任教。在1941年炎热的夏天，他到宾夕法尼亚大学的莫尔电气工程学院电子国防训练班参加学习，结业后留在莫尔学院任教。回到莫尔学院，莫克利沉浸在对阿塔纳索夫方案的研究和思考之中，一而再，再而三地仔细推敲，夜以继日地不懈工作。他终于将阿塔纳索夫的方案琢磨透了，懂得这是一个可行的研制电子计算机的方案，自己原来有几个搞不清楚的关键问题，阿塔纳索夫实际上都解决了。他凭着特有的聪明才智，加上数学、物理学雄厚的基础，以及电子学和计算机丰富的实践经验，1942年8月，他写了一份题为《高速电子管装置的使用》的报告。 这个报告是在阿塔纳索夫方案基础上写成的，比那个方案更具体、更详细。该报告很快就在莫尔学院里传阅开了，教授、青年教师、研究生、高年级的大学生们都对它产生了浓厚的兴趣。 莫克利的报告在莫尔学院引起了一个年轻人的特别浓厚的兴趣。这个人就是23岁的研究生埃克特。 J·P·埃克特，1919年 4月 9日生于美国宾夕法尼亚州的费城。他从小学习就非常认真，1941年以优异的成绩毕业于莫尔学院，获电气工程学士学位。大学毕业以后，他又留在该校读研究生，继续深造。就是在这期间，他从一位老师手里看到莫克利的报告。 正如法国著名微生物学家巴斯德说过的那样，“机遇只偏爱那些有准备的头脑。”莫克利辛苦写就的报告，在许多人手里传来传去，并未传出什么名堂来，可是传到研究生埃克特手里的时候，情形就完全不一样了。 埃克特深知这份报告的价值，为此他将自己全部身心投入其中。一天，埃克特拜访了莫克利先生，埃克特看问题深刻而尖锐。莫克利认为，埃克特正是自己的知音和得力的帮手。他们共同又研究了一种更加完善的方案。 莫克利和埃克特的方案提出以后，前后也被搁置了近一年的时间。他们从阿塔纳索夫那里接过“接力棒”，问题在于，他们能否拿着接力棒第一个到达终点呢？关键取决于谁需要这种发明了。当年给阿塔纳索夫提供资金的是农业实验站，如果莫克利他们得到的也是那类部门的资助，那就很可能会落得和阿塔纳索夫同样的命运。 这次不同了，他们得到了军方的资助。1941年12月7日美国宣布参战，在战争中，战争的需要就是第一需要。莫克利、埃克特等人终于获得最后成功。 第二次世界大战的纷飞战火，在世界各地蔓延着，以重视高科技武器著称的美国正在调动着一切可以调动的力量，精心地进行着各种新式武器的试制和改进。 宾夕法尼亚大学莫尔学院的电工系，即莫克利所在的部门，正在同马里兰州阿伯丁试炮场联合进行着一个军事研究项目：为陆军计算炮击表。这是一项非常艰巨而紧迫的任务，按照对方要求，他们应该每天向陆军提供6张炮击表，每张表的计算量都非常大，要计算几百条弹道。实际上，每计算一条在空中飞行60秒的炮弹的弹道，用台式计算机就得化上20个小时，即使用上大型的模拟计算工具——微分分析仪，也要化上15分钟。 在这个项目的课题组中，有一位军方派来的代表，负责该课题组与陆军军械部的联系，他就是年轻英俊的戈德斯坦中尉。入伍前他是密歇根大学的副教授、数学家。真是无巧不成书，他与莫克利是多年的好朋友。当莫克利谈到自己的电子计算机设计方案时，戈德斯坦中尉激动万分，连声说“太好了，太有用了！这对炮击表的计算简直是雪中送炭。” 他立即向他的顶头上司吉伦上校作了详细的汇报。上校认为这是克服计算炮击表困难的希望所在，因此给予热情的支持。在上校的积极参与和大力支持下，负责与阿伯丁联系的莫尔学院的勃雷纳德教授，按照军械部的要求，在1943年4月2日，起草了一个为阿伯丁试炮场制造一台数字式电子计算机的计划方案。 战时的一切都为了战争，古今中外莫不如此，所以事情进行得异常神速，办事效率特别高，仅仅过了一个星期，关系到第一台电子计算机命运的决定性的讨论会，就正式开始了。穿戴整齐的勃雷纳德教授，在莫克利和埃克特俩人的陪同下，神情严肃地前往阿伯丁，出席这次不寻常的会议，他深知这次会议关系重大。阿伯丁军方出席会议的有阿伯丁试炮场弹道学研究所所长西蒙上校，普林斯顿高等研究院的著名数学家维伯伦教授等。维伯伦是西蒙的主要科技顾问，是他的智囊团里的第一号人物，说话具有很高的权威性。会上认真讨论了这一方案的种种潜在可能性，由于申请经费的数额巨大，当然大家都得慎重行事。后来人们回忆说，会前维伯伦教授对方案审阅过多次，在他听取了有关方案的详细说明后，对戈德斯坦中尉端详了一会，又沉思片刻，果断地说：“西蒙，把试制经费拨给他们吧！”教授的这句话是历史性的，整个会议厅里静极了，只有教授的话音在大厅里回荡。当时是1943年4月9日，人类历史上第一台电子计算机试制工作的序幕，就这样被拉开了。 6月5日，军械部和莫尔学院正式签定了试制合同。在最后一次会议上，大家想到了为这台未来的机器起个名字，最后尊重吉伦上校的意见，命名为 “电子数值积分和计算机”（Electronic Numerial Integrator andComputer），英文缩写为ENIAC，我们译为中文是“埃尼阿克”。 埃尼阿克试制计划开始实施了。总设计师一职，毫无疑问应该是这一方案的提出者莫克利教授，当时他才30多岁。担任总工程师的是24岁的埃克特。在制造过程中遇到的一系列复杂的工程技术问题，都由他负责解决。年轻的逻辑学家勃克斯参与逻辑软件的设计工作。风华正茂的戈德斯坦中尉作为杰出的组织者和数学家，在数学上提供十分有益的建议。整个工程吸收了大约200多人，经过两年多艰苦的创造性劳动，埃尼阿克的试制工作终于瓜熟蒂落。1945年底，这台标志着人类智力解放的巨大机器，庄严地宣告竣工。1946年2月15日，在正式的揭幕仪式上，埃尼阿克作了第一次公开表演。 此时第二次世界大战的烽火，早已烟消云散，埃尼阿克的诞生虽然没能直接为反对法西斯的战争立下功勋，但它给世界带来的影响之大远远超过了在一次战争中所能起的作用。第一台电子计算机是个十足的庞然大物。它占地170平方米，总重量达30吨，里面约有18000个电子管，1500个继电器，以及无数的电阻、电容等。耗电达150千瓦，是个名副其实的“电老虎”。这些功耗在机器运行过程中，最终当然都要转化成热量。热量之大，如果用于烧水，每小时能把近两吨的水烧开。为此，还必须附加冷却设备，以防过热。 埃尼阿克的计算速度，当时无与伦比，每秒钟可作5000次运算，比当时已有的最快的继电器式计算机要快上1000倍！它可以胜任相当广泛的科学计算，当时计算中的最复杂的问题，要数描写旋转体周围气流的五个双曲型偏微分方程组了。这个问题如果让机电式计算机来计算的话，需要化一个多月的时间；让人工手算，要化上几年时间，而埃尼阿克，仅用了一个小时，就把结果全部告诉人们了。 埃尼阿克实现了多年来人类将电子技术应用于计算机的梦想，为进一步提高运算速度开辟了极为广阔的前景。 |
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